CN110826203A - 水轮机顶盖连接螺栓疲劳寿命的评估方法及监测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了水轮机顶盖连接螺栓疲劳寿命的评估方法及监测系统，涉及疲劳寿命预测领域，包括步骤S1获取螺栓应力时间曲线A；S2对曲线A处理得到曲线B；S3将曲线B处理形成曲线C，对曲线C进行统计、计数、修正得到等效交变应力幅值；S4线性疲劳累计理论对螺栓进行疲劳寿命预测；监测系统包括应力采集模块、控制模块和监测平台，监测平台包括数据分析模块和预警模块；评估方法能够统计出应力荷载均值和幅值的循环次数，结合Goodman法对等效应力幅值修正，线性疲劳累计理论进行连接螺栓累积损伤和疲劳寿命评估；监测系统可以采集连接螺栓应力情况，预警模块可以根据连接螺栓的情况发出警告，数据分析模块可以对连接螺栓疲劳寿命进行预测评估。

Description

水轮机顶盖连接螺栓疲劳寿命的评估方法及监测系统

技术领域

本发明涉及螺栓疲劳寿命评估方法领域，尤其涉及水轮机顶盖连接螺栓疲劳寿命的评估方法及监测系统。

背景技术

水轮发电机组顶盖为机组重要的承载部件之一，其大薄壁件结构长期受轴向水推力、转轮上腔水压脉动等交变载荷，螺栓连接的可靠性和安全性对整个机组的正常运行有着至关重要的作用，国内主要水电站均在要求每年检修期间举行水轮机顶盖连接螺栓的更换，以免造成接螺栓松动或失效而造成水淹厂房事故的发生，因此对于水轮机顶盖连接螺栓的监测、寿命评估的可靠性、稳定性提出了要求，但是传统的水轮机顶盖连接螺栓的监测主要靠人工巡检。通常水轮机出厂时顶盖连接螺栓就通过在不同工况下进行疲劳寿命仿真模拟计算，得到不同工况下的疲劳寿命，传统的人工巡检水轮机顶盖连接螺栓以及基于仿真模拟螺栓疲劳寿命的评估方法存在很多缺点和不足：

1.传统的人工巡检存在及时性、可靠性差，花费人工较多和存在巡视过程风险。

2.不能准确地评估出螺栓的疲劳寿命。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题设计了一种水轮机顶盖连接螺栓疲劳寿命的评估方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

水轮机顶盖连接螺栓疲劳寿命的评估方法，包括以下步骤：

S1、在水轮机正常运行状态下，设定预紧力实时监测系统的监测频率，获得顶盖连接螺栓应力—时间历程的曲线A数据；

S2、对曲线A的数据依次进行平滑滤波和预处理压缩，得到只由曲线A中的峰值和谷值构成交变循环荷载的曲线B；

S3、将曲线B从峰值或谷值处断开，进行前后对调，首尾对接形成新的应力数据曲线C，采用雨流循环计数法对曲线C进行统计和计数，并采用Goodman法对等效应力幅值进行修正，最终得到等效交变应力幅值；

S4、等效交变应力幅值与螺栓材料S-N疲劳寿命曲线结合，运用Palmgren-Miner线性疲劳累计理论对顶盖连接螺栓进行疲劳寿命评估。

水轮机顶盖连接螺栓疲劳寿命的监测系统，包括：

多个用于实时采集不同连接螺栓应力的应力采集模块；

用于控制应力采集模块检测频率的控制模块，多个应力采集模块的信号端均与控制模块的信号端连接；

用于评估连接螺栓疲劳寿命的监测平台，监测平台的信号端与控制模块的信号端连接。

本发明的有益效果在于：实现对水轮机顶盖连接螺栓的规范化、精细化管理，能够实现水轮机顶盖连接螺栓在线实时监测，进行智能化决断，判断连接螺栓预紧力是否超出阈值范围、疲劳寿命预测精度高；提出的疲劳寿命评估方法能够精确客观地统计出应力荷载均值和幅值的循环次数，结合Goodman法对等效应力幅值进行修正和运用线性疲劳累计理论进行连接螺栓累积损伤评估，计算其疲劳寿命，并开发了水轮机顶盖连接螺栓疲劳寿命的监测系统，可以实时采集连接螺栓应力情况，并在监测平台设置预警模块，可以根据连接螺栓的实时情况发出相应的警告，通过数据分析模块的分析可以对连接螺栓的疲劳寿命进行预测评估。

附图说明

图1是本发明水轮机顶盖连接螺栓疲劳寿命的评估方法的流程图；

图2是本发明水轮机顶盖连接螺栓疲劳寿命的监测系统的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。

实施例1，如图1所示，水轮机顶盖连接螺栓疲劳寿命的评估方法，包括以下步骤：

S1、在水轮机正常运行状态下，设定预紧力实时监测系统的监测频率为1000Hz，对顶盖连接螺栓采集300S内的原始载荷，获得顶盖连接螺栓应力—时间历程的曲线A。

S2、对应力—时间生命荷载曲线A采用五点三次平滑算法进行平滑滤波，过滤曲线A中含有的高频随机噪点，避免对后续评估计数方法造成影响，五点三次算法原理如下：

设已知n个等距点，应力—时间生命荷载曲线A数据为x0＜x1＜…＜xn－1，则可以在每个数据点的前后各取两个相邻的点，用三次多项式

Y＝a₀+a₁x+a₂x²+a₃x³

进行逼近，根据最小二乘原理确定出系数a₀、a₁、a₂、a₃，公式如下：

式中，式中

为Y的改进值，公式要求数据点数n≥5；

对螺栓造成的损伤多是交变的循环荷载造成的，这些荷载幅值的循环次数决定了损伤的大小，因此需要平滑后的数据进行预处理，只留下曲线中的峰值和谷值构成交变循环荷载的曲线B，同时也能够对数据进行压缩，在预处理中通过判断相邻应力值的差的乘积是否大于零，如果满足(x_i-x_i-1)(x_i-x_i+1)＞0，则证明x_i同时大于或小于两边的数据，为峰值或谷值点，否则删除x_i，其中x_i-1,x_i，x_i+1为平滑数据中顺序选取的三个点。

S3、将曲线B从峰值或谷值处断开，进行前后对调，首尾对接形成新的应力数据曲线C，采用雨流循环计数法对曲线C进行统计和计数，并采用Goodman法对等效应力幅值进行修正，最终得到等效交变应力幅值，包括：

S31、将曲线B从峰值或谷值处断开，进行前后对调，首尾对接形成新的应力数据曲线C，首尾对接时若首尾不闭合，则加一个首尾值0；或两段各取一个首尾值，取其中最大最小值，剩下的两个去掉；

S32、采用雨流循环计数法对曲线C进行计数，当曲线C的峰值和谷值数量和N＞4时，进入S33；当曲线C的峰值和谷值数量和N≦4时,直接进入S35；

S33、对曲线C进行顺序选取四个点分别为x’_i,x’_i+1,x’_i+2,x’_i+3，满足公式|x’_i+1-x’_i+2|＜|x’_i-x’_i+3|；

S34、计算选取点x’_i,x’_i+1,x’_i+2,x’_i+3的等效应力幅值和等效应力均值分别为：S_a＝|x’_i+1-x’_i+2|、

并计算S₀＝|x_i-x_i+3|，若S_a≦S₀,输出保存S_a、S_m，同时删除已计数据重新组成后的曲线C，返回步骤S32；若S_a＞S₀,返回S33，并叠加等效应力荷载循环次数j；

S35、输出全部的等效应力幅值S_a和等效应力均值S_m构成完整的应力荷载循环迟滞回线，并且统计出等效应力荷载循环次数j；

S36、在实际的工程运用中，交变的荷载幅值不能完全反向进行循环加载，需要考虑平均应力幅值作用，采用Goodman法对交变应力幅值进行修正，得到等效交变应力幅值：

式中，S_e为考虑平均应力作用后对称循环应力作用下的等效应力，S_u为材料强度极限。

S4、等效交变应力幅值与螺栓材料S-N疲劳寿命曲线，运用Palmgren-Miner原理，对采集数据时间周期T进行疲劳累计损伤计算，对顶盖连接螺栓进行疲劳寿命评估，计算公式为：

式中，D为采集数据时间周期T内的螺栓损伤，N_i为极限循环次数，L为螺栓剩余可用小时数。

具体计算实例：采用螺栓材料为8.8级合金钢，根据《机械设计手册》，确定合金钢的许用应力[σ]＝640MPa，强度极限S_u＝893MPa，屈服极限为770MPa。定材料的应力—疲劳寿命(S-N)曲线为：

S＝860.6764-63.8162log N_f

根据得到的等效交变应力幅值，结合螺栓材料S-N疲劳寿命曲线，运用Palmgren-Miner原理，对采集数据时间周期T进行疲劳累计损伤计算，进行疲劳寿命评估，

式中，D为采集数据时间周期T内的螺栓损伤，N_i为极限循环次数，L为螺栓剩余可用小时数，计算选取300S内的应力—时间历程曲线，采用上述步骤计算可得300S内的损伤为2.0258×10^-7，估计的疲劳寿命小时数为4.113×10⁵h。

实施例2，如图2所示，水轮机顶盖连接螺栓疲劳寿命的监测系统，包括：

多个用于实时采集不同连接螺栓应力的应力采集模块；

用于控制应力采集模块检测频率的控制模块，多个应力采集模块的信号端均与控制模块的信号端连接；

用于评估连接螺栓疲劳寿命的监测平台，监测平台的信号端与控制模块的信号端连接。

监测平台包括：

用于评估连接螺栓疲劳寿命的数据分析模块，数据分析模块的信号端与控制模块的信号端连接；

用于储存连接螺栓应力数据的数据储存模块，数据储存模块的信号端与控制模块连接，数据分析模块的信号端与数据储存模块的信号端连接；

用于发出警告的预警模块，预警模块的信号端与数据分析模块的信号端连接，预警模块设定有螺栓预警阈值，当连接螺栓的应力超过螺栓预警阈值时，预警模块发出警告。

控制模块为超声主机，应力采集模块为超声探头贴，多个超声探头贴通过分线器与超声主机连接。

监测系统通过超声探头贴获取连接螺栓相关的实时数据，包括实时应力数据和实时预紧力数据，超声探头贴通过分线器接入超声主机，超声主机控制超声探头贴的监测频率，检测超声探头贴能否对连接螺栓进行数据采集，超声主机将超声探头贴采集的应力模拟信号转换成数字信号并将其通过TCP传输协议传输到检测平台的数据储存模块进行储存，数据分析模块提取数据储存模块的数据对连接螺栓进行螺栓累积损伤评估，计算其疲劳寿命，并且预警模块设定有螺栓预警阈值，当连接螺栓的应力超过螺栓预警阈值时，预警模块发出警告。

本发明的技术方案不限于上述具体实施例的限制，凡是根据本发明的技术方案做出的技术变形，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.水轮机顶盖连接螺栓疲劳寿命的评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、在水轮机正常运行状态下，设定预紧力实时监测系统的监测频率，获得顶盖连接螺栓应力—时间历程的曲线A数据；

S2、对曲线A的数据依次进行平滑滤波和预处理压缩，得到只由曲线A中的峰值和谷值构成交变循环荷载的曲线B；

S3、将曲线B从峰值或谷值处断开，进行前后对调，首尾对接形成新的应力数据曲线C，采用雨流循环计数法对曲线C进行统计和计数，并采用Goodman法对等效应力幅值进行修正，最终得到等效交变应力幅值；

S4、等效交变应力幅值与螺栓材料S-N疲劳寿命曲线结合，运用Palmgren-Miner线性疲劳累计理论对顶盖连接螺栓进行疲劳寿命评估。

2.根据权利要求1所述的水轮机顶盖连接螺栓疲劳寿命的评估方法，其特征在于，在S2中包括以下步骤：

S21、采用五点三次平滑算法进行平滑滤波，过滤数据中含有的高频随机噪点，对顶盖连接螺栓应力—时间历程曲线设置已知n个等距点，顶盖连接螺栓应力—时间历程曲线的数据为x0＜x1＜…＜xn－1，则可以在每个数据点的前后各取两个相邻的点，用三次多项式：Y＝a₀+a₁x+a₂x²+a₃x³进行逼近，根据最小二乘原理确定出系数a₀、a₁、a₂、a₃；

S22、对螺栓造成的损伤主要是交变的循环荷载，采用预处理算法对平滑后的数据进行预处理压缩，只留下曲线中的峰值和谷值构成交变循环荷载，在预处理中通过判断相邻应力值的差的乘积是否大于零，如果满足该式：(x_i-x_i-1)(x_i-x_i+1)＞0，则证明x_i同时大于或小于两边的数据，为峰值或谷值点，否则删除x_i，其中x_i-1,x_i，x_i+1为步骤S21平滑数据中顺序选取的三个点。

3.根据权利要求2所述的水轮机顶盖连接螺栓疲劳寿命的评估方法，其特征在于，在S3中包括以下步骤：

S31、将曲线B从峰值或谷值处断开，进行前后对调，首尾对接形成新的应力数据曲线C，首尾对接时若首尾不闭合，则加一个首尾值0；或两段各取一个首尾值，取其中最大最小值，剩下的两个去掉；

S32、采用雨流循环计数法对曲线C进行计数，当曲线C的峰值和谷值数量和N>4时，进入S33；当曲线C的峰值和谷值数量和N≦4时,直接进入S35；

S33、对曲线C进行顺序选取四个点分别为x’_i，x’_i+1,x’_i+2,x’_i+3，满足公式|x’_i+1-x’_i+2|＜|x’_i-x’_i+3|；

S34、计算选取点x’_i,x’_i+1,x’_i+2,x’_i+3的等效应力幅值和等效应力均值分别为：S_a＝|x’_i+1-x’_i+2|、并计算S₀＝|x_i-x_i+3|，若S_a≦S₀,输出保存S_a、S_m，同时删除已计数据重新组成后的曲线C，返回步骤S32；若S_a>S₀,返回S33，并叠加等效应力荷载循环次数j；

S35、输出全部的等效应力幅值S_a和等效应力均值S_m构成完整的应力荷载循环迟滞回线，并且统计出等效应力荷载循环次数j；

S36、在实际的工程运用中，交变的荷载幅值不能完全反向进行循环加载，需要考虑平均应力幅值作用，采用Goodman法对交变应力幅值进行修正，得到等效交变应力幅值：

式中，S_e为考虑平均应力作用后对称循环应力作用下的等效应力，S_u为材料强度极限。

4.根据权利要求3所述的水轮机顶盖连接螺栓疲劳寿命的评估方法，其特征在于，在S4中，等效交变应力幅值与螺栓材料S-N疲劳寿命曲线，运用Palmgren-Miner原理，对采集数据时间周期T进行疲劳累计损伤计算，对顶盖连接螺栓进行疲劳寿命评估，计算公式为：

式中，D为采集数据时间周期T内的螺栓损伤，N_i为极限循环次数，L为螺栓剩余可用小时数。

5.水轮机顶盖连接螺栓疲劳寿命的监测系统，其特征在于，包括：

多个用于实时采集不同连接螺栓应力的应力采集模块；

用于控制应力采集模块检测频率的控制模块，多个应力采集模块的信号端均与控制模块的信号端连接；

用于评估连接螺栓疲劳寿命的监测平台，监测平台的信号端与控制模块的信号端连接。

6.根据权利要求5所述的水轮机顶盖连接螺栓疲劳寿命的监测系统，其特征在于，监测平台包括：

用于评估连接螺栓疲劳寿命的数据分析模块，数据分析模块的信号端与控制模块的信号端连接；

用于储存连接螺栓应力数据的数据分析模块，数据储存模块的信号端与控制模块连接，数据分析模块的信号端与数据储存模块的信号端连接；

用于发出警告的预警模块，预警模块的信号端与数据分析模块的信号端连接，预警模块设定有螺栓预警阈值，当连接螺栓的应力超过螺栓预警阈值时，预警模块发出警告。

7.根据权利要求5所述的水轮机顶盖连接螺栓疲劳寿命的监测系统，其特征在于，控制模块为超声主机，应力采集模块为超声探头贴，多个超声探头贴通过分线器与超声主机连接。

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